專利名稱：一種粘附型超疏水材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種超疏水粘附型材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
超疏水是指表面上水的表觀接觸角超過(guò)150°的一種特殊表面現(xiàn)象。近年來(lái)，超疏水表面引起了人們極大的關(guān)注，它在自清潔材料、微流體裝置、催化、采油、涂飾、防水、和生物材料等許多領(lǐng)域等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。最典型的例子就是自然界中的荷葉表面，水滴在葉面上可以自由滾動(dòng)，能夠?qū)⒏街谌~面上的灰塵等污染物帶走，從而使表面保持清潔。傳統(tǒng)超疏水表面的制備一般采用兩種方法一種是在粗糙表面修飾低表面能的物質(zhì)；另一種是在疏水性表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。關(guān)于超疏水粗糙表面的研制方法，主要有相分離法、模板法、溶膠-凝膠法、電紡法、刻蝕法、腐蝕法、自組裝、化學(xué)氣相沉積及其他方法。根據(jù)液體在表面的滾動(dòng)效果，超疏水表面又可分為斥水型和粘附型超疏水表面。斥水型超疏水表面與水滴的接觸角大于150°，但是對(duì)水滴粘附力很小，水滴很容易從表面滾落。自然界大量存在這種超疏水表面，比如荷葉，鳥(niǎo)的羽毛和水蟲等都是這種低粘附力的斥水型表面。由于這種超疏水表面自清潔性能，大量的研究都專注這種表面的合成。粘附型超疏水表面不但與水滴的接觸角大于150°，而且對(duì)水滴具有很強(qiáng)的粘附力，將表面傾斜或者倒置， 水滴都不會(huì)滾動(dòng)下來(lái)。這種超疏水表面雖然不能夠自清潔，但是此種對(duì)液體高的粘附力，有利于在微米級(jí)別上對(duì)水滴進(jìn)行操作，在無(wú)損失液體轉(zhuǎn)移，微流控制體系和生物傳感器等方面表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。相對(duì)而言，粘附型超疏水表面研究的較少?，F(xiàn)有的研究都集中在對(duì)表面的結(jié)構(gòu)控制上，利用毛細(xì)管力對(duì)液體進(jìn)行粘附。發(fā)展一種簡(jiǎn)便合成超疏水粘附型表面的方法具有重要的意義

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種粘附型超疏水材料及其制備方法。該材料是一種含有有機(jī)基團(tuán)的二氧化硅納米顆粒，通過(guò)控制表面的化學(xué)成分來(lái)調(diào)控粘附力大小。以該材料作為構(gòu)建單元，在基體上進(jìn)行沉積得到具有二維納米粗糙度的表面?；w可以是玻璃片，硅片，金屬或金屬氧化物。傳統(tǒng)超疏水表面的制備一般采用兩種方法一種是在粗糙表面修飾低表面能的物質(zhì)；另一種是在疏水性表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)。與上不同，本發(fā)明采用低表面能有機(jī)物修飾的二氧化硅納米顆粒為構(gòu)建單元在基體上沉積，得到具有二重納米粗糙度的表面。低表面能物質(zhì)和粗糙度在沉積過(guò)程中一步實(shí)現(xiàn)。操作更為簡(jiǎn)單，方便。傳統(tǒng)的粗糙結(jié)構(gòu)只有一重粗糙度，或者一重微米級(jí)別粗糙度和一重納米級(jí)別粗糙度。本發(fā)明制備的表面具有二重納米粗糙結(jié)構(gòu)。二氧化硅納米顆粒本體組裝成一重納米粗糙度，本發(fā)明合成的有機(jī)修飾的二氧化硅表面本身非常粗糙，形成第二重納米粗糙結(jié)構(gòu)，兩重粗糙結(jié)構(gòu)都在納米級(jí)別。與通過(guò)控制表面結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)變粘附力不同，本發(fā)明通過(guò)控制化學(xué)成分來(lái)調(diào)控粘附力大小，可以獲得超疏水粘附型材料，接觸角在140-170°之間，而且具有很強(qiáng)的粘附力，水滴
3在傾斜或者倒置的情況下不回滑落下來(lái)。沉淀劑是水溶性的，而硅烷是油溶性的，為了合成粒徑均一，高分散的含有有機(jī)基團(tuán)的二氧化硅納米顆粒，必須使沉淀劑與硅烷充分且均勻接觸，本發(fā)明采用表面活性劑和助表面活性劑將氨水溶液高分散在油相之中，使得硅烷與沉淀劑充分且均勻接觸，均勻沉淀。通過(guò)簡(jiǎn)單沉積和老化處理可以在基體上形成一個(gè)超疏水表面。所述粘附型超疏水表面制備步驟，可按如下步驟操作a)無(wú)機(jī)沉淀劑在油相中的分散及其均勻沉淀表面活性劑，有機(jī)相，助表面活性劑和氨水按照一定比例配置成溶液A。一定量的正硅酸乙酯或者正硅酸甲酯為硅源，配成溶液B。室溫下，往A微乳液中加入溶液B，攪拌6 48h。所得最終混合溶液的質(zhì)量比為1 10表面活性劑0. 5 6氨水5 15有機(jī)相0 6助表面活性劑1硅烷0. 05 1. 5有機(jī)硅烷。氨水濃度為1 30Wt%。加入1-10倍硅源質(zhì)量的丙酮破乳，離心得到固體，加入5-50倍硅源質(zhì)量的乙醇回流5 30min，離心，重復(fù)2 5次洗滌，分散在乙醇中，得二氧化硅乙醇分散液二氧化硅質(zhì)量濃度為1 20wt% ；b)超疏水表面的形成基體先用洗滌劑超聲清洗，再用水、丙酮反復(fù)清洗2 6 次，將二氧化硅乙醇分散液在基體表面上沉積，20 200°C下老化1 48h，得到超疏水表面。所述表面活性劑為陰離子表面活性劑中的C8-20直鏈烷基苯磺酸鈉或α -烯基磺酸鈉，或?yàn)榉请x子表面活性劑中的C8-20長(zhǎng)鏈的有機(jī)伯胺、Np系列或吐溫系列表面活性劑， 或?yàn)殛?yáng)離子表面活性劑中的十六烷基三甲基溴化胺。所述有機(jī)相為環(huán)己烷、正己烷或者甲苯；助表面活性劑為正丁醇、正戊醇、正己醇或正辛醇。有機(jī)基團(tuán)為甲基、乙基、丙基、乙烯基、苯基、十二烷基、十八烷基、三氟丙基、全氟葵基和五氟苯基一種或者幾種?；w為玻璃片，硅片，金屬或金屬氧化物。本發(fā)明制備的有機(jī)修飾的二氧化硅納米顆粒，大小可控，粒徑在20 1000nm(見(jiàn)圖1)。所制備的表面具有粗糙結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖幻。所制備的超疏水粘附型表面接觸角為140 170°，水滴在90°或180°傾斜不會(huì)滾動(dòng)下來(lái)(見(jiàn)圖3)。


圖1實(shí)例1中合成的二氧化硅顆粒A的透射電鏡照片。圖2實(shí)例7中采用二氧化硅A制備的超疏水表面掃描電鏡照片。圖3實(shí)例7中采用二氧化硅A制備的超疏水表面水滴接觸角圖片。
具體實(shí)施例方式表面活性劑，有機(jī)相，助表面活性劑和氨水按照一定比例配置成溶液A。一定量的正硅酸乙酯或正硅酸甲酯和有機(jī)硅烷配成溶液B。室溫下，往A微乳液中滴入溶液B，攪拌6 48h。所得最終混合溶液的質(zhì)量比為1 10表面活性劑0. 5 6氨水5 15有機(jī)相0 6助表面活性劑1硅烷0.05 1.5有機(jī)硅烷。加入1-10倍硅源質(zhì)量的丙酮破乳，離心得到固體，加入5-50 倍硅源質(zhì)量的乙醇回流5 30min，離心，重復(fù)2 5次洗滌，分散在乙醇中，得二氧化硅乙醇分散液，二氧化硅質(zhì)量濃度為1 20wt% ；基體先用洗滌劑超聲清洗，再反復(fù)用水，丙酮清洗2 6次，將二氧化硅乙醇分散液在基體表面上沉積，20 200°C下保持1 48h，得到超疏水表面。 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的方法進(jìn)行詳述，但不以任何形式限制本發(fā)明。
實(shí)施例1 二氧化硅A (Ph-SiO2)的制備取8. Og Np-12、15. Og環(huán)己烷、3. Og正辛醇和5. Og IOwt %，得溶液A ； 1. Og正硅酸乙酯0. 5g苯基基三甲氧基硅烷為溶液C ；在攪拌下將溶液B加入溶液D中，老化他；然后， 加入8g丙酮，攪拌30min，離心得到固體；向此固體中加入30g乙醇，加熱攪拌lOmin，離心；重復(fù)此步驟5次，直至表面活性劑去除干凈；所得固體分散在IOg乙醇中。如圖1所示，可以看出有機(jī)修飾的二氧化硅納米顆粒，粒徑均勻，粒徑在lOOnm，表面非常粗糙。實(shí)施例2 二氧化硅B-L的制備材料B-L的制備方法同材料A，不同之處在于有機(jī)硅烷的種類和加入量上，具體采用的有機(jī)硅烷的種類和加入量見(jiàn)表1，所得到的材料列于表1。表1材料B-H制備中采用的有機(jī)硅烷的種類和加入量
權(quán)利要求
1.一種粘附型超疏水材料，其特征在于該材料是一種含有有機(jī)基團(tuán)的二氧化硅納米顆粒；該材料附著于基體表面，通過(guò)控制化學(xué)成分來(lái)調(diào)變粘附力。
2.按照權(quán)利要求1所述粘附型超疏水材料，其特征在于以所述的材料作為構(gòu)建單元，在基體上進(jìn)行沉積得到具有二重納米粗糙度的表面；該材料表面具有超疏水性能，接觸角在140 170°之間，而且具有很強(qiáng)的粘附力，水滴在傾斜或者倒置的情況下不會(huì)滑落下來(lái)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述粘附型超疏水材料，其特征在于基體是玻璃片、硅片、金屬或金屬氧化物。
4.按照權(quán)利要求1所述粘附型超疏水材料，其特征在于所述含有有機(jī)基團(tuán)的二氧化硅納米顆粒，有機(jī)基團(tuán)為甲基、乙基、丙基、乙烯基、苯基、十二烷基、十八烷基、三氟丙基、全氟葵基和五氟苯基等有機(jī)基團(tuán)中的一種或者多種，質(zhì)量含量為0. 1 60% ；有機(jī)修飾的二氧化硅顆粒表面粗糙，粒徑為20 lOOOnm。
5.一種權(quán)利要求1所述粘附型超疏水材料的制備方法，其特征在于a)無(wú)機(jī)沉淀劑在油相中分散及其均勻沉淀將表面活性劑、有機(jī)相、助表面活性劑和沉淀劑氨水按照比例配置成微乳液A ；正硅酸乙酯或者正硅酸甲酯和有機(jī)硅烷為硅源，配成溶液B ；室溫下，往A微乳液中滴入溶液B，攪拌6 48h ；加入1-10倍硅源質(zhì)量的丙酮破乳，離心得到固體，加入5-50倍硅源質(zhì)量的乙醇回流 5 30min，離心，重復(fù)2 5次洗滌，分散在乙醇中，得二氧化硅乙醇分散液，二氧化硅質(zhì)量濃度為1 20wt% ；所得最終混合溶液的質(zhì)量比為1 10表面活性劑0.5 6氨水5 15有機(jī)相0 6助表面活性劑1正硅酸乙酯或者正硅酸甲酯0. 05 1. 5有機(jī)硅烷；氨水濃度為1 30wt% ；b)超疏水表面的形成基體先用洗滌劑超聲清洗，再用水清洗2 6次、丙酮清洗2 6次，將二氧化硅乙醇分散液在基體表面上沉積，20 200°C下保持1 48h，得到超疏水表面。
6.按照權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述表面活性劑為陰離子表面活性劑中的C8-20直鏈烷基苯磺酸鈉或α -烯基磺酸鈉，或?yàn)榉请x子表面活性劑中的C8-20長(zhǎng)鏈的有機(jī)伯胺、Np系列或吐溫系列表面活性劑，或?yàn)殛?yáng)離子表面活性劑中的十六烷基三甲基溴化胺；所述有機(jī)相為環(huán)己烷、正己烷或甲苯；助表面活性劑為正丁醇、正戊醇、正己醇或正辛醇。
7.按照權(quán)利要求5所述的制備方法，所述有機(jī)硅烷為甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十八烷基基三甲氧基硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、五氟苯基三甲氧基硅烷及其相對(duì)應(yīng)的乙氧基硅烷中的一種或二種以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種粘附型超疏水材料及其制備方法。該材料是一種含有有機(jī)基團(tuán)的二氧化硅納米顆粒。以該材料作為構(gòu)建單元，在基體上進(jìn)行沉積得到具有二重納米粗糙度的表面。該表面不僅具有超疏水性能，接觸角在140～170°之間，而且具有很強(qiáng)的粘附力，水滴在傾斜或者倒置的情況下不會(huì)滑落下來(lái)。該方法操作簡(jiǎn)單，原料易得，成本低，對(duì)于水的輸運(yùn)、轉(zhuǎn)移和分離具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C09K3/18GK102453465SQ20101052130
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者徐杰, 王敏, 陳晨, 馬繼平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所